于波 李桑 郝翠 劉郁玨 杜佳 盧俐

1 北京市氣象臺，北京 100091

2 中國氣象局北京城市氣象研究院，北京 100089

3 北京市氣象信息中心，北京 100091

1 引言

北京地區(qū)地形復(fù)雜多樣，自西向東海拔高度呈明顯階梯結(jié)構(gòu)下降，其三面環(huán)山和臨近渤海的特殊地形和地理位置，導(dǎo)致冬季降雪常常與邊界層?xùn)|風(fēng)相伴（王繼志, 1978; 孫繼松等, 2003; 于波等, 2013,2016, 2019; 吳慶梅等, 2014; 李津等, 2017）。分析近年來降雪空報和降雪漏報個例表明，邊界層?xùn)|風(fēng)是制約預(yù)報準(zhǔn)確率的主要原因。邊界層?xùn)|風(fēng)因水平尺度小、持續(xù)時間短、垂直厚度淺薄，較難捕捉其對降雪影響的具體信號。已有研究指出，邊界層?xùn)|風(fēng)能否建立起指向華北地區(qū)的水汽輸送通道在降雪中非常重要：當(dāng)無明顯的水汽輸送時，即使中低層上升運(yùn)動明顯，也很難形成有效降水（郭銳等,2012; 何娜等, 2014）；即使對流層中低層沒有深厚濕層的配合，邊界層?xùn)|風(fēng)的增濕作用即可造成明顯降雪（趙思雄等, 2002; 孫建華和趙思維, 2003; 蔣建瑩等, 2005; 趙思雄和孫建華, 2013）。同時，冷性東風(fēng)可形成冷墊強(qiáng)迫暖濕空氣的爬升（何群英等,2011; 趙桂香等, 2011），邊界層?xùn)|風(fēng)與低層偏西風(fēng)或偏南風(fēng)可形成有利的輻合形勢（夏茹娣等, 2013;趙桂香等, 2013）等。因此，邊界層?xùn)|風(fēng)及其溫濕特性所引起的水汽輸送和動力輻合效應(yīng)對降雪天氣有重要意義，區(qū)分討論不同特性邊界層?xùn)|風(fēng)對降雪發(fā)生發(fā)展的影響十分必要，但已有邊界層與降雪相關(guān)的研究多集中在斜壓邊界層的發(fā)展（Xu et al.,2002）、邊界層動力鋒生（Bove and Paolo, 2009;Meng et al., 2019）、地形鋒生（Lee and Xue, 2013;Li et al., 2021）、邊界層內(nèi)的水汽通量和水汽相變過程（Kristovich and Braham, 1998）以及大地形抬升（Liu et al., 2021）對降雪發(fā)生發(fā)展的作用。

延慶區(qū)地處北京市西北部，北東南三面環(huán)山，平均海拔500 m 左右，山區(qū)面積占70%，東部為軍都山（平均海拔600 m 左右），西部海陀山為延慶區(qū)內(nèi)最高峰，最高海拔為2284 m（圖1）。延慶區(qū)作為2022 年冬奧會三大賽區(qū)之一，是高山滑雪、雪車和雪橇項(xiàng)目的舉辦地。由于海拔較高、地勢復(fù)雜，其降雪天氣特征與北京平原地區(qū)存在很大差異。

圖1 北京延慶區(qū)地形圖（單位：m）Fig. 1 Topographic map of Yanqing District, Beijing (units: m)

隨著2022 年冬奧會的臨近，基于觀測試驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段對賽區(qū)近地層風(fēng)場（張治國等,2017; 劉郁玨等, 2018）、降雪的云物理特征（高茜等, 2020; 黃鈺等, 2020）和云變化（李炬等, 2020）開展的研究工作，加深了對延慶賽區(qū)氣象要素規(guī)律的認(rèn)識，同時對積雪變化（錢昊, 2017; 錢昊等,2019）、雪季長短（徐慶喆等, 2017）和風(fēng)寒效應(yīng)（李林等, 2018）等氣象條件造成的不同影響進(jìn)行了分析。

由前所述，目前尚缺乏延慶賽區(qū)降雪機(jī)制的針對性分析，特別是邊界層?xùn)|風(fēng)對降雪的影響，而已有邊界層偏東風(fēng)對降雪的研究工作多集中于平原地區(qū)，這在預(yù)報業(yè)務(wù)中極大制約了高海拔地區(qū)降雪的預(yù)報準(zhǔn)確率。雖然預(yù)報員對邊界層?xùn)|風(fēng)有著極高的警覺性，但更為重要的是，如何甄別不同高度、不同溫濕特性的邊界層?xùn)|風(fēng)對延慶賽區(qū)降雪的具體貢獻(xiàn)。

本文利用臺站觀測資料、ERA5 再分析資料、氣象鐵塔觀測、風(fēng)廓線雷達(dá)觀測資料及HYSPLIT模型，從降雪成因著手，研究相似天氣背景下邊界層偏東風(fēng)的溫濕特性，結(jié)合地形對比不同性質(zhì)和不同高度偏東風(fēng)對降雪的貢獻(xiàn)，重點(diǎn)探索邊界層偏東風(fēng)對延慶賽區(qū)降雪的作用和影響機(jī)制。

2 資料與方法

高度場、風(fēng)場等資料來自歐洲中期天氣預(yù)報中心ECMWF 第五代大氣再分析全球數(shù)據(jù)（簡稱ERA5），空間分辨率0.25°×0.25°，垂直方向上分為37 層，數(shù)據(jù)為逐小時平均。

使用中國科學(xué)院大氣物理研究所325 m 氣象鐵塔和延慶風(fēng)廓線雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)對邊界層偏東風(fēng)的特征進(jìn)行研究。其中，氣象鐵塔（39°58′N，116°22′E）的觀測數(shù)據(jù)，垂直方向?yàn)?5 層，觀測高度分別為8、15、32、47、65、80、102、120、140、160、180、200、240、280、320 m，觀測要素為水平風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和相對濕度；垂直速度觀測數(shù)據(jù)，垂直方向7 層，觀測高度分別為8、16、47、80、140、200、280 m。延慶風(fēng)廓線雷達(dá)垂直方向?yàn)?8 層，150～1950 m 為120 m 間隔，1950～12030 m為249 m 間隔，觀測要素為水平風(fēng)向、風(fēng)速和垂直速度。

利用美國國家海洋和大氣管理局NOAA 的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)HYSPLIT 模型（Draxler and Hess, 1997）和NCEP/NCAR 再分析資料對200 m、400 m 和600 m 高度的氣流進(jìn)行96 h 后向軌跡追蹤。

本文除特殊說明外，所標(biāo)注時間均為北京時。

3 天氣概況

2015 年11 月21 日和2016 年1 月21 日，北京延慶區(qū)出現(xiàn)降雪。為便于描述，2015 年11 月21 日簡稱降雪過程Ⅰ，2016 年1 月21 日簡稱降雪過程Ⅱ。

從環(huán)流形勢來看（圖2），兩次降雪過程中北京上空均受500 hPa 冷渦底部西北氣流或西北偏西氣流的控制，兩次降雪無低槽低渦等明顯天氣尺度輻合系統(tǒng)的影響；海平面氣壓場上河套地區(qū)存在倒槽，冷高壓呈東西走向，北京地區(qū)受高壓底部偏東風(fēng)的影響?？傮w來看，兩次降雪過程因?qū)α鲗又袑右龑?dǎo)氣流為西西北或西北氣流，導(dǎo)致其預(yù)報難度加大，但對比分析此類天氣背景下的降雪天氣，能夠更加突顯邊界層?xùn)|風(fēng)影響延慶區(qū)降雪發(fā)生發(fā)展的意義所在。

圖2 （a、b）2015 年11 月21 日08:00 和（c、d）2016 年1 月21 日08:00 500 hPa 環(huán)流形勢（左列；等值線為位勢高度場，單位：dagpm；風(fēng)羽，單位：m s-1）以及海平面氣壓場（右列；等值線，單位：hPa）分布Fig. 2 Distributions of (a, c) synoptic situation at 500 hPa (contours for geopotential, units: dagpm; barbs for wind, units: m s-1) and (b, d) sea level pressure (contours, units: hPa) at 0800 BJT (Beijing time) on (a, b) November 21, 2015 and (c, d) January 21, 2016

雖然環(huán)流背景相似，但兩次過程降雪量差別較大：過程Ⅰ中，延慶全區(qū)出現(xiàn)降雪，雪量分布呈東多西少的特點(diǎn)，最大降雪量為大莊科站5.7 mm（圖3a），降雪自11 月21 日05:00（北京時，下同）開始至16:00 共持續(xù)約11 個小時（圖3b），但降雪強(qiáng)度較弱，最大小時降雪量為0.9 mm（21日11:00）；過程Ⅱ中，延慶區(qū)降雪集中在西北部山區(qū)，最大降雪出現(xiàn)在小海陀站，為26.7 mm（圖3c），持續(xù)時間相對較短，集中出現(xiàn)在21 日12:00～17:00，但小時降雪量基本都為3 mm 及以上，16:00 的降雪量最高達(dá)6.7 mm（圖3d）。

圖3 （a、c）2015 年11 月21 日05:00～16:00 和2016 年1 月21 日08:00～18:00 北京延慶區(qū)總降雪量分布（左列）以及（b、d）逐小時降雪量變化（右列），單位：mmFig. 3 (a) Distributions of total snowfall amount, (b) variation of hourly snowfalls from 0500 BJT to 1600 BJT on November 21, 2015, units: mm. (c,d) are same as (a, b), but for 0800 BJT to 1800 BJT on January 21, 2016

4 降雪成因

4.1 邊界層?xùn)|風(fēng)的溫濕特性差異

由于延慶賽區(qū)整體海拔較高、區(qū)域較小，一方面需考慮邊界層?xùn)|風(fēng)是否能影響到延慶賽區(qū)，另一方面邊界層?xùn)|風(fēng)的溫濕特征在北京平原地區(qū)表現(xiàn)更為清晰。因此，本文對偏東風(fēng)特性的定性診斷主要依據(jù)其在平原地區(qū)的要素分析。

4.1.1 降雪過程Ⅰ

氣象鐵塔分析（圖4a）表明：隨著偏東風(fēng)的發(fā)展，近地層溫度持續(xù)下降，特別是2015 年11月21 日07:00～13:00 期間，邊界層偏東風(fēng)明顯增強(qiáng)，10:00 前后東南風(fēng)風(fēng)速達(dá)6 m s-1，此期間溫度快速下降，至21 日14:00 15 m 高度溫度已降至1°C 左右。由此可見，這支邊界層偏東風(fēng)為冷性的，由于前一日北京全區(qū)已出現(xiàn)降水，近地層均為大于90%的大濕度區(qū)，相對濕度的分布不能說明東風(fēng)的干濕特性。

結(jié)合ERA5 再分析資料，11 月21 日08:00 的1000 hPa 溫度平流、比濕及風(fēng)場顯示（圖4b），偏東風(fēng)在西進(jìn)過程中，攜帶高緯度地區(qū)的冷空氣向西推進(jìn)，帶來了明顯的冷平流；緯向分布的比濕顯示，包括延慶在內(nèi)的北京地區(qū)比濕約為3 g kg-1，但渤海北部及天津北部地區(qū)的比濕為2～2.5 g kg-1，對北京及延慶區(qū)而言，沿氣流方向是一支水汽含量相對低的偏東風(fēng)。

進(jìn)行氣流96 h 的后向軌跡追蹤表明（圖5a），降雪過程Ⅰ的邊界層?xùn)|風(fēng)與華北回流天氣密切相關(guān)，主要為來自東北平原途徑渤海入侵華北的冷空氣（張迎新和張守保, 2006; 張迎新等, 2007; 張守保,2009）。受地面倒槽的影響，偏東氣流途經(jīng)渤海灣后，再依次經(jīng)由山東北部、河北南部和天津東部向西進(jìn)入北京地區(qū)。這支干冷氣流于11 月18 日進(jìn)入渤海灣，途經(jīng)渤海灣時相對濕度明顯增加，由30%左右增加至80%以上（圖5b），但與北京地區(qū)相比，絕對水汽含量偏低，因此仍舊為“干冷”性質(zhì)（圖4b）。

圖4 （a）2015 年11 月20 日20:00 至21 日20:00 的溫度（等值線，單位：°C）、相對濕度（陰影）和風(fēng)場（箭頭，單位：m s-1），（b）2015 年11 月21 日08:00 1000 hPa 比濕（等值線，單位：g kg-1）、風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m s-1）及冷平流（陰影，單位：10-5 K s-1）Fig. 4 (a) Distributions of temperature (contours, units: °C), relative humidity (shaded) and wind (barb, units: m s-1) from 2000 BJT 20 to 2000 BJT 21 November 2015, (b) distributions of specific humidity (contours, units: g kg-1), wind (barb, units: m s-1) and cold advection (shade, units:10-5 K·s-1) at 1000 hPa on 0800 BJT 21 November 2015

圖5 （a）2015 年11 月21 日08:00 沿（39.5°N，116.5°E）的96 h 后向軌跡（綠色線為200 m，藍(lán)色線為400 m，紅色線為600 m），（b）氣流后向軌跡對應(yīng)的相對濕度Fig. 5 (a) Backward trajectories of 96 h at 0000 BJT 21 November 2015 along (39.5°N, 116.5°E) for 200 m (green line), 400 m (blue line) and 600 m(red line) , (b) the corresponding relative humidity of backward trajectory

4.1.2 降雪過程Ⅱ

鐵塔分析表明（圖6a），2016 年1 月20 日23:00 前后北京平原地區(qū)隨著偏東風(fēng)的建立，近地層濕度開始增加，至21 日04:00 100 m 以下相對濕度達(dá)80%，12:00 后雖然相對濕度減小至70%，但21 日白天地面至325 m 高度始終維持70%的相對濕度。由此可知，此次降雪過程中的偏東風(fēng)對北京平原地區(qū)具有一定的增濕作用。

在偏東風(fēng)發(fā)展的時段內(nèi)（圖6a），空中偏北氣流帶來的冷空氣滲透導(dǎo)致21 日04:00～08:00 溫度明顯下降（08:00 15 m 溫度降至-6°C）。21 日08:00 之后溫度回升，16:00 在47 m 處的溫度升至-3°C。進(jìn)一步結(jié)合ERA5 再分析資料的診斷發(fā)現(xiàn)（圖6b），邊界層偏東風(fēng)配合弱暖平流影響北京的平原地區(qū)，同時將渤海灣至天津一帶的水汽向北京平原地區(qū)輸送。

圖6 （a）2016 年1 月20 日20:00 至21 日20:00 的溫度（等值線，單位：°C）、相對濕度（陰影）和風(fēng)場（箭頭，單位：m s-1）分布，（b）2016 年1 月21 日08:00 1000 hPa 比濕（等值線，單位：g kg-1）、風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m s-1）及暖平流（陰影，單位：10-5 K s-1）分布Fig. 6 (a) Distributions of temperature (contours, units: °C), relative humidity (shaded) and wind (barb, units: m s-1) from 2000 BJT 20 to 2000 BJT 21 2016, (b) distributions of specific humidity (contours, units: g kg-1), wind (barbs, units: m s-1) and warm advection (shaded, units: 10-5 K s-1)at 1000 hPa on 0800 BJT 21 January 2016

結(jié)合氣流的96 h 的后向軌跡（圖7a）表明，邊界層內(nèi)來自貝加爾湖地區(qū)的冷空氣沿西北路徑南下，經(jīng)渤海灣路途較短，相伴隨的相對濕度一直呈下降趨勢（圖7b），1 月20 日夜間在山東北部轉(zhuǎn)向?yàn)闁|南風(fēng)后，相對濕度增至60%～70%，因此氣流偏南分量的增強(qiáng)導(dǎo)致其變性，具有了“暖濕”性質(zhì)。同時，600 m 高度處有來自新疆的冷空氣沿偏西路徑影響北京。

圖7 同圖5，但為2016 年1 月21 日00:00Fig. 7 Same as Fig. 5, but for 0000 BJT 21 January 2016

4.2 邊界層?xùn)|風(fēng)對降雪的貢獻(xiàn)

4.2.1 降雪過程Ⅰ

由于地面倒槽不斷向東北方向加深發(fā)展（圖略），形成深厚的偏東風(fēng)。延慶站風(fēng)廓線顯示（圖8a），偏東風(fēng)在垂直方向延伸的高度超過1000 m，最高達(dá)1200 m 左右（21 日07:00～08:00），因此偏東風(fēng)能夠越過延慶區(qū)與昌平區(qū)交界的軍都山影響延慶。

地形作為氣流運(yùn)動的主要障礙，能夠顯著改變邊界層的氣流（李國平, 2016; Finnigan et al.,2020）。沿40.3°N 的剖面顯示（圖8b），冷性的邊界層?xùn)|風(fēng)在未越過軍都山時（118°E 以東的區(qū)域）形成明顯的系統(tǒng)性的冷墊抬升，將暖濕空氣抬升至950～800 hPa，造成了平原及低海拔地區(qū)明顯的降雪天氣。偏東風(fēng)翻越軍都山之后，熱力性質(zhì)發(fā)生變化，下沉增溫作用使溫度升高，由冷性轉(zhuǎn)為暖性。偏東風(fēng)除越山作用之外，還有繞流作用的存在，因此在軍都山背風(fēng)坡形成輻合；同時東風(fēng)在西進(jìn)過程中，隨著西部海陀山地形高度的顯著增加，轉(zhuǎn)向?yàn)闁|南風(fēng)形成上坡風(fēng)的輻合抬升，繞流輻合與地形強(qiáng)迫共同作用造成116.5°～117°E 區(qū)域明顯的輻合抬升，但輻合程度由東向西減弱，是延慶區(qū)降雪東多西少的主要原因。

圖8 2015 年11 月21 日（a）00:00～18:00 延慶站風(fēng)廓線（風(fēng)向桿，單位：m s-1）以及（b）09:00 沿40.4°N 的垂直剖面（黑色粗實(shí)線為地形高度；紅色虛線為溫度，單位：°C；陰影為輻合區(qū)，單位：10-5 s-1；風(fēng)向桿為水平流場，單位：m s-1）Fig. 8 (a) Wind profile from 0000 BJT to 1800 BJT on November 21, 2015 of the Yanqing station (barbs, units: m s-1), (b) the cross-section along 40.4°N at 0900 BJT on November 21, 2015. Black solid line for terrain height; red contours for temperature, units: °C; shaded for convergence, units:10-5 s-1; barbs for horizontal wind, units: m s-1

延慶風(fēng)廓線表明（圖8a），2015 年11 月21日06:00～12:00 近地面層的偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)且風(fēng)速加大，對應(yīng)著降雪的最強(qiáng)時段；13:00 之后隨著風(fēng)速減小，降雪逐漸減弱結(jié)束。

4.2.2 降雪過程Ⅱ

風(fēng)廓線顯示（圖9a），降雪之前及降雪過程中，延慶本地未出現(xiàn)明顯的偏東風(fēng)。沿40.0°N 的剖面顯示（圖9b），邊界層內(nèi)的偏東風(fēng)由于發(fā)展高度較低（950 hPa 以下），不能夠越過軍都山脈影響延慶區(qū)，僅在900 hPa 以下高度有輻合作用，表明抬升作用較弱，主要影響平原地區(qū)。

由以上對比分析，邊界層?xùn)|風(fēng)對延慶賽區(qū)的降雪過程Ⅰ有直接影響，而對降雪過程Ⅱ則無影響。值得注意的是，降雪過程Ⅱ中小海陀站（海拔1805m）出現(xiàn)了26.7 mm 的降雪，明顯降雪時段出現(xiàn)在2016 年11 月21 日12:00～16:00（圖3d）。沿該站的時序剖面表明（圖9c），雖然受西北氣流的影響，但21 日12:00 開始800～700 hPa（2000～3000 m）相對濕度達(dá)100%飽和區(qū)所對應(yīng)的上升運(yùn)動不斷發(fā)展增強(qiáng)?？罩酗柡蛥^(qū)與上升運(yùn)動的有利配合，并具有一定的持續(xù)時間（11 月21 日12:00～16:00），是小海陀站出現(xiàn)明顯降雪的重要原因。

圖9 2016 年1 月21 日（a）00:00～18:00 延慶站風(fēng)廓線（風(fēng)向桿，單位：m s-1），（b）09:00 沿40.0°N 的剖面（黑色粗實(shí)線為地形高度；紅色虛線為溫度，單位：°C；陰影為輻合區(qū)，單位：10-5 s-1；風(fēng)向桿為水平流場，單位：m s-1）,（c）10:00 至19:00 沿（40.56°N，115.82°E）的風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m s-1）、相對濕度（等值線）和上升運(yùn)動（陰影，單位：Pa s-1）時序剖面Fig. 9 (a) Wind profile from 0000 BJT to 1800 BJT of the Yanqing station (barbs, units: m s-1), (b) the cross-section along 40.0°N at 0900 BJT (black solid lines for the terrain height; red contours for temperature, units: °C; shaded for convergence, units: 10-5 s-1; barb for horizontal wind, units: m s-1),(c) the cross-section of relative humidity (contours), wind (barb for wind，unit: m s-1) and ascending motion (shaded, units: Pa s-1) along (40.56°N,115.82°E) from 1000 BJT to 1900 BJT on January 21, 2016

5 結(jié)論與討論

本文對比相似天氣背景下不同溫濕特性、不同發(fā)展高度的邊界層?xùn)|風(fēng)對冬奧會延慶賽區(qū)降雪的貢獻(xiàn)，并進(jìn)一步討論了邊界層?xùn)|風(fēng)與地形的相互作用，研究表明：

（1）當(dāng)途經(jīng)渤海灣的路徑較長時，有利于邊界層?xùn)|風(fēng)的明顯增濕，反之增濕效果則較弱。

（2）“干冷”性質(zhì)且在垂直方向發(fā)展較為深厚的邊界層?xùn)|風(fēng)，可形成冷墊抬升平原地區(qū)的暖濕空氣；當(dāng)東風(fēng)在垂直方向發(fā)展較為深厚（超過軍都山的平均高度600 m）時，能夠翻越延慶區(qū)東部海拔較低的軍都山并在背風(fēng)坡形成繞流匯合，同時受西部海拔較高的海陀山阻擋形成迎風(fēng)坡的強(qiáng)迫抬升，二者共同作用導(dǎo)致延慶區(qū)輻合程度東強(qiáng)西弱，進(jìn)而造成降雪分布呈東多西少的特征?！芭瘽瘛毙再|(zhì)的邊界層偏東風(fēng)在垂直方向上較為淺薄，無法越過軍都山，對延慶賽區(qū)的降雪基本無影響。

（3）對于延慶賽區(qū)高海拔的山區(qū)降雪，一方面需考慮邊界層?xùn)|風(fēng)是否有翻越軍都山的可能；一方面需關(guān)注受空中500 hPa 西北氣流影響時，與地形高度較接近的、700 hPa 高度附近的飽和區(qū)與抬升運(yùn)動的配合情況。

本文的研究成果能夠在一定程度上促進(jìn)冬奧會延慶賽區(qū)精準(zhǔn)降雪預(yù)報準(zhǔn)確率的提升，特別是在賽區(qū)降雪有無及降雪空間分布的預(yù)報方面，為積極備戰(zhàn)2022 年冬奧會提供技術(shù)支撐。為明確不同特征邊界層?xùn)|風(fēng)對冬奧會延慶賽區(qū)降雪的作用機(jī)制，盡可能排除天氣尺度系統(tǒng)所造成的影響，本文選取相似天氣背景下的降雪天氣過程進(jìn)行對比研究，但正如前文所提及的，北京地區(qū)冬季降雪通常伴有邊界層?xùn)|風(fēng)，因此，如何定量判別不同天氣背景下邊界層?xùn)|風(fēng)對延慶賽區(qū)降雪發(fā)生發(fā)展的具體貢獻(xiàn)，還有待于今后做進(jìn)一步的深入研究。